1. Wprowadzenie:

Węgiel jest podstawowym paliwem stałym w energetyce i ciepłownictwie. Paliwa stałe takie jak węgiel kamienny, węgiel brunatny, koks petrochemiczny, biomasa, czy też inne odpady palne a także węgle importowane są na ogół pochodzenia organicznego. Lecz mimo wspólnego pochodzenia różnice ich właściwości powodują, że zwykle wymagają różnych technologii spalania.

Najczęściej spotykane sposoby organizacji spalania węgla i odpowiadające im rozmiary cząstek węglowych to:

1. w palenisku rusztowym:

- z rusztem stałym (muł, miał)

- z rusztem ruchomym (groszek, orzech: 10÷30 mm)

b) w złożu fluidalnym:

- pęcherzykowym (<25 mm)

- cyrkulującym (<6 mm)

c) w płomieniu pyłowym (pozostałość na sicie: dla węgla kamiennego o zawartości części lotnych 25÷30%)

Największe rozdrobnienie węgla wymagane jest w paleniskach pyłowych mających największe zastosowanie w energetyce zawodowej. Podawana palnikami pyłowymi do paleniska mieszanka pyłowo-powietrzna spala się w płomieniu pyłowym (Rys. 1). Cząstki węgla spalają się indywidualnie, nie stykając się.

Rysunek 1 – Spalanie węgla w płomieniu pyłowym

Po dostaniu się cząstki węglowej do płomienia najpierw się ona nagrzewa a następnie spala. Okresy nagrzewania i spalania dzieli moment zapłonu części lotnych.

Okres spalania cząstki węgla można podzielić na dwa etapy:

- wydzielanie i spalanie części lotnych,

- spalanie pozostałości koksowej.

Czas spalania pozostałości koksowej jest o rząd większy od spalania części lotnych.

1. Schemat stanowiska pomiarowego:

Rysunek 2 - Stanowisko z piecem opadowym do pomiaru emisji zanieczyszczeń

1. Wykaz przyrządów pomiarowych:

1. Termopara – pomiar temperatury płomienia pyłowego;

2. Analizator – pomiar składu spalin;

3. Analizator sprzężony z komputerem – badanie składu spalin pod kątem zawartości tlenu i zanieczyszczeń.

1. Tabela pomiarowa:

Tabela 1 – Wyniki pomiarów

Numer pomiaru	Strumień powietrza	Skład spalin
		O2
	l/h	%
1	270	13,0
2		12,0
3		10,8
4		8,8
5		6,0
6		4,8
7		3,3
8		2,8
9		1,8
10		1,3
11		1,0
12		0,8

1. Przykładowe obliczenia:

   1. Wyznaczenie współczynnika nadmiaru powietrza λ

$$\lambda = \frac{21}{21 - O_{2}} = \frac{21}{21 - 13} \cong 2,63$$

gdzie: λ – współczynnik nadmiaru powietrza

21 – zawartość tlenu w powietrzu, %

O₂ – zawartość tlenu w spalinach, %

1. Przeliczenie poziomu zanieczyszczeń na odniesiony do stałej zawartości tlenu 6%

$$\text{CO}^{6\%} = \text{CO}^{\text{zm}} \bullet \frac{21 - 6}{21 - O_{2}}$$

$$\text{NO}^{6\%} = \text{NO}^{\text{zm}} \bullet \frac{21 - 6}{21 - O_{2}}$$

gdzie: CO^6% - przeliczona zawartość CO w spalinach, ppm

NO^6% - przeliczona zawartość NO w spalinach, ppm

CO^zm – zmierzona zawartość CO w spalinach, ppm

NO^zm – zmierzona zawartość NO w spalinach, ppm

21 – zawartość tlenu w powietrzu w spalinach, %

6 – referencyjna zawartość tlenu w spalinach, %

O₂ – zawartość tlenu w spalinach, %

1. Obliczenie strumienia spalanego węgla kamiennego o składzie elementarnym: c = 0,61, h = 0,04, o =0,1, s = 0,005, n = 0,01, w = 0,065, p = 0,20 (na podstawie danych z Zakładu Górniczego Janina: http://www.pkwsa.pl/sites/default/files/Charakterystyka%20technologiczna%20w%C4%99gla_ZG_Janina_2013.pdf):

$$n_{o}^{t} = \frac{c}{12} + \frac{h}{4} + \frac{s}{32} - \frac{o}{32} = \frac{0,61}{12} + \frac{0,04}{4} + \frac{0,005}{32} - \frac{0,1}{32} = 0,0577\frac{\text{kmol\ }O_{2}}{\text{kg\ paliwa}}$$

$$n_{a}^{t} = \frac{n_{o}^{t}}{0,21} = \frac{0,0577}{0,21} = 0,274\ \frac{\text{kmol\ powietrza}}{\text{kg\ paliwa}}$$

$$n_{a}^{'} = \lambda n_{a}^{t} = 2,63 \bullet 0,274 \cong 0,72\ \frac{\text{kmol\ powietrza}}{\text{kg\ paliwa}}$$

$$V_{a}^{'} = 0,72\frac{\text{kmol\ pow.}}{\text{kg\ pal.}} \bullet \frac{22,42\ \text{nm}^{3}\text{pow.}}{\text{kmol\ pow.}} \cong 16,16\frac{\text{nm}^{3}\text{pow.}}{\text{kg\ pal.}}$$

$$V_{p} = \frac{V_{a}}{V_{a}^{'}} = \frac{0,27\ \text{nm}^{3}/h}{16,16\frac{\text{nm}^{3}}{\text{kg\ pal.}}} \cong 16,7\ \frac{g}{h}$$

gdzie:

c, h, s, o, n, w, p – udział gramowy kolejno węgla, wodoru, siarki, tlenu, azotu, wilgoci i popiołu w węglu kamiennym

n_o^t – teoretyczna ilość tlenu potrzebna do zupełnego i całkowitego spalenia jednostki paliwa

n_a^t – teoretyczne zapotrzebowanie powietrza

n_a^′ - rzeczywista ilość powietrza

V_a^′ - strumień powietrza

V_a - strumień powietrza doprowadzonego

V_p – strumień doprowadzonego paliwa

1. Wyniki obliczeń:

Tabela 2 – Wyniki obliczeń

Lp.	Vp	λ	CO^6%	NO^6%	SO2^6%
	g/h		ppm	ppm	ppm
1	17	2,63	118	587	238
2	19	2,33	110	755	262
3	21	2,06	98	747	270
4	26	1,72	87	689	360
5	31	1,4	72	541	342
6	34	1,3	82	498	420
7	37	1,19	84	353	466
8	38	1,15	89	314	500
9	40	1,09	95	229	509
10	41	1,07	189	152	628
11	42	1,05	757	130	715
12	42	1,04	12016	25	515

1. Wykres:

Wykres 1 – Wykres zależności emisji zanieczyszczeń przeliczonych na 6% udział tlenu w spalinach od współczynnika nadmiaru powietrza (λ)

1. Uwagi i wnioski:

Wniosek 1: Dobór urządzeń do organizacji spalania węgli wynika z różnicy właściwości węgli i rozmiaru ich cząstek.

Wniosek 2: Warunki spalania węgla są najkorzystniejsze przy odpowiednim współczynniku nadmiaru powietrza (tu dla λ = 1,3) oraz zapewnieniu właściwej turbulencji w obszarze spalania, powodującej lepszy dopływ tlenu do powierzchni na której odbywa się proces spalania.

Wniosek 3: W kotłach pyłowych uzyskanie NO na poziomie 200 mg/m³ jest możliwe bez stosowania drogich katalizatorów, ale towarzyszy temu niecałkowite spalanie. Na wykresie 1 zauważamy, że zmniejszeniu ilości jednego tlenku towarzyszy wzrost ilości drugiego, co utrudnia zoptymalizowanie warunków spalania oraz zwiększenie sprawności pracy danego układu.

Wniosek 4: Wraz ze wzrostem ilości podawanego paliwa współczynnik nadmiaru powietrza malał.